用于飞行器舱室的空调系统，包括用于加热通过水提取回路收集的水的装置的制作方法

1.本公开涉及一种用于空中或轨道运输交通工具的舱室的空调系统。本发明更具体地涉及一种包括水提取回路和用于加热通过该回路收集的水的装置的空调系统。


背景技术：

2.贯穿全文，术语“舱室”表示必须控制其空气的压力和/或温度的空中或轨道运输交通工具的任何内部空间。舱室可以是乘客舱、飞行器的飞行员的驾驶舱、货舱，以及通常需要空气处于受控的压力和/或温度下的交通工具的任何区域。术语“涡轮”表示用于使用空气的动能来旋转支撑涡轮叶片的轴的旋转设备。术语“压缩机”表示用于增大所述设备在进口处接收的空气的压力的旋转设备。
3.用于运输交通工具(诸如飞行器)的舱室的空调系统以已知的方式包括一种用于从飞行器发动机(诸如飞行器的推进发动机或辅助发动机)的至少一个压缩机排出压缩空气的设备。
4.这样的已知空调系统还包括空气循环涡轮发动机，空气循环涡轮发动机包括彼此机械联接的至少一个压缩机和涡轮，所述压缩机包括连接到所述压缩空气排出设备的空气进口以及空气出口，并且所述涡轮包括空气进口和空气出口，空气出口连接到所述舱室以便能够以受控的压力和温度向所述舱室供应空气。
5.根据替选方案，空气循环涡轮发动机的压缩机被直接供以从飞行器外部抽取的环境空气，并且空气被空气循环涡轮发动机的压缩机直接压缩。
6.无论系统的压缩空气供应模式如何，所述系统通常还包括至少一个热交换器，称为主冷却交换器，其被布置在用于从飞行器外部抽取的冲压空气循环的通道中，处于所述压缩机的所述空气出口和所述涡轮的所述空气进口之间，所述主交换器包括被供以来自所述压缩机的热空气流的初级环路和被供以所述冲压空气的次级环路，冲压空气形成冷空气流以冷却所述热空气流。
7.最后，空调系统通常还包括水提取回路，水提取回路被布置在所述主热交换器和所述涡轮之间，并且被设计成从由供应所述涡轮的所述主交换器冷却的热空气流中提取水。
8.一些系统还包括在所述水提取回路和水喷洒器之间布置管道，以分配由所述提取回路所提取的水，水喷洒器被容纳在所述冲压空气通道中，位于所述主交换器的远上游，并被设计成能够逆着所述冲压空气通道的冲压空气流喷洒由所述水提取回路提取的水，以便在空气进入主冷却交换器之前促进所述水在空气流中的蒸发。
9.液滴形式的液态水这样注入冷却交换器上游的冲压空气循环通道(更通常称为环境空气通道或冲压空气通道)，使得可能降低冷却交换器的冷通路进口处的空气温度。该水在蒸发时会吸收热，因此允许空气的温度降低。该水通常在大约20℃的温度下注入，这是水提取回路的水分离器的温度。
10.例如，申请人名下的专利文件us200911784描述了这样的空调系统。根据该实施例的系统现在广泛用于许多飞行器中。
11.然而，发明人已经寻求改进这样的空调系统，并且特别是改进主冷却交换器的热通路的冷却性能。


技术实现要素：

12.本发明的目标
13.本发明的目标在于提供一种用于运输交通工具(诸如飞行器)的舱室的空调系统，所述系统使得可能提高主冷却交换器的热通路的冷却性能。
14.本发明的目标也在于在本发明的至少一个实施例中提供一种适合紧凑冲压空气循环通道(诸如用于轨道运输交通工具的那些冲压空气循环通道)的空调系统。
15.发明内容
16.为此，本发明涉及一种用于飞行器的舱室的空调系统，包括：
17.‑
设备，用于从空气源排出空气；
18.‑
空气循环涡轮发动机，其包括彼此机械联接的至少一个涡轮和耗能轮(18)，所述涡轮包括空气进口和空气出口，空气出口连接到所述舱室，以便能够以受控的压力和温度向所述舱室供应空气；
19.‑
至少一个热交换器，称为主冷却交换器，其被布置在用于从飞行器外部抽取的冲压空气循环的通道中，处于所述空气排出设备和所述涡轮的所述空气进口之间，所述主交换器包括被供以来自所述空气排出设备的热空气流的初级环路和被供以所述冲压空气的次级环路，冲压空气形成冷空气流以冷却所述热空气流；
20.‑
水提取回路，其被布置在所述主热交换器和所述涡轮之间，并且被设计成从供应所述涡轮的由所述主交换器冷却的热空气流中提取水；以及
‑
管道，用于分配由所述提取回路所提取的水，所述管道在所述水提取回路和所述冲压空气通道之间延伸，处于所述主交换器的上游，以便能够将由所述水提取回路提取的称为喷洒水的水喷洒到所述冲压空气通道的冲压空气流中。
21.根据本发明的空调系统的特征在于，所述空调系统进一步包括用于加热喷洒水的装置，所述装置被布置在所述水提取回路和所述冲压空气通道之间，处于所述主冷却交换器的上游，以便允许喷洒到所述冲压空气通道内的水蒸发，这有助于冷却主交换器的所述初级环路的冲压空气，并且确保冷却所述主交换器的所述初级环路的热空气。
22.因此，根据本发明的空调系统具有在将被水提取回路提取的水喷洒到冲压空气通道中之前，加热所述水的具体特征。发明人已经认识到，水的这种加热使得可能优化冲压空气通道中水的蒸发效率并且因此降低在冲压空气通道中循环的环境空气的温度。特别地，通过相同设计，由加热装置加热的水在冲压空气通道中比未加热时相同的水蒸发得更快，并且蒸发得更完全。
23.发明人特别已经确定，在水提取回路中提取的水通常在20℃的温度下注入冲压空气通道。通过提供加热该提取的水以达到例如60℃的温度的装置，由于饱和蒸气压的变化，蒸发时间被除以系数13。
24.有利地并且根据本发明，所述空气循环涡轮发动机进一步包括至少一个与所述涡
轮和所述耗能轮机械联接的压缩机，所述压缩机包括连接到所述空气排出装置的空气进口和连接到所述主冷却交换器的空气出口，所述主交换器的所述初级环路被供以来自所述压缩机的热空气流。
25.该有利替选方案使得可能在通过主交换器冷却之前通过涡轮发动机的压缩机压缩来自空气排出装置的空气。换句话说，本发明的该替选方案使得可能在空气循环涡轮发动机内具有压缩级，因此接收从飞行器外部吸入的未压缩空气，或者在被供应到压缩机的空气已经是压缩空气的情况下形成第二压缩级(视需要，这使得可能提供增压)。
26.有利地并且根据本发明，用于加热来自所述水分配管道的水的所述装置包括至少一个热交换器，称为喷洒交换器，其包括被供以来自所述分配管道的所述水的冷环路，以及被供以热流体源的热环路。
27.根据该有利替选方案，由水提取回路提取的水穿过称为喷洒交换器的交换器，喷洒交换器被设计成能够在冷通路和热通路之间进行热交换，冷通路被供以由水提取回路提取的水，热通路被供以热流体源。
28.有利地并且根据该替选方案，所述喷洒交换器的所述热流体环路是飞行器的燃料环路、油环路、热传递流体环路或者空气环路。
29.根据该有利替选方案，供应喷洒交换器的热流体源是飞行器的燃料环路、或油环路、或热传递流体环路或者空气环路。特别地，飞行器包括多个流体环路，其温度高于由水提取回路提取的水的温度(通常接近20℃)。因而，温度高于由水提取回路收集的水的温度的任何流体环路可以形成喷洒交换器的热通路。
30.有利地并且根据该替选方案，在其中喷洒交换器的热流体环路为飞行器的空气环路的情况下，该空气环路有利地是主交换器的初级空气环路。
31.该替选方案有利地使得可能通过使用喷洒交换器的水环路作为用于冷却主交换器的热通路的冷通路，而进一步冷却主交换器的热通路。
32.因此，该替选方案具有双重优点，即能够通过在交换器的进口处喷洒被加热的水而冷却主交换器的冷通路，并且通过喷洒交换器对主交换器的热通路再冷却。
33.根据另一替选方案，水加热装置包括电阻器或热泵系统或珀尔帖效应系统。一般而言，被设计用于加热水的任何类型的装置都可以在本发明的框架内用于加热水。
34.有利地并且根据本发明，所述喷洒交换器被集成在所述主冷却交换器内。
35.根据该有利替选方案，喷洒交换器和主冷却交换器一体地形成。
36.该有利替选方案使得特别可能产生一种较短的冲压空气通道，同时限制用于将水喷洒到空气通道所必要的空间。这种较短的冲压空气环路特别适合轨道交通工具。
37.有利地并且根据本发明，所述主冷却器包括：
38.‑
多个称为次级通道的通道，其被彼此叠置并旨在用于所述冷空气的循环，每个次级通道都在相同方向(称为次级方向)上在称为次级空气进口的空气进口与称为次级空气出口的空气出口之间延伸；
39.‑
多个称为初级通道的通道，用于所述热空气的循环，每个初级通道都介于两个次级通道之间并在相同方向(称为初级方向，与所述次级方向不同)上在称为初级空气进口的空气进口与称为初级空气出口的空气出口之间延伸，以便允许在所述初级通道的初级空气与所述次级通道的次级空气之间进行热交换；
40.‑
水循环通道，每个都在初级空气出口附近沿所述次级方向与次级通道相邻地在水进口(其流体连接到所述水分配管道)和水出口之间延伸，以便允许通过与所述初级通道的所述初级空气流的热交换加热该水；以及
41.‑
水喷洒微穿孔中空杆，每个都在所述初级方向上与初级通道相邻地在水进口和水喷洒微穿孔之间延伸，水进口流体连接到所述水循环通道的至少一个水出口，水喷洒微穿孔通往次级空气进口，以便允许在所述次级通道的进口处喷洒的加热的水蒸发，因而帮助冷却交换器的进口处的次级空气流。
42.有利地并且根据本发明，所述水提取回路包括：
43.‑
冷凝器，其包括被供以所述主冷却交换器的出口处的空气流的初级空气环路，初级空气环路与被供以来自所述涡轮的空气流的次级空气环路热相互作用，以允许所述初级环路的所述空气流冷凝；和
44.‑
水提取器，其被布置在所述冷凝器的出口处，并被设计成能够回收被冷凝器冷凝的水并将所述水馈送到所述水分配管道。
45.根据本发明的该替选方案，提取回路旨在在所述空气被注入空气循环涡轮发动机的涡轮之前干燥空气，以便使空气膨胀并朝着飞行器的舱室分配(经由混合室)。
46.有利地并且根据本发明，所述水提取回路进一步包括加热器，所述加热器包括被所述主冷却交换器的所述初级空气环路供应并供应所述冷凝器的所述初级空气环路的初级空气环路，所述初级空气环路与被供以来自所述水提取器的空气的次级环路热相互作用，以便允许供应所述加热器的初级环路的压缩空气被加热。
47.该有利替选方案使得可能提高供应空气循环机的涡轮的空气的温度，并且使得可能蒸发未被水提取器捕捉的任何水滴并因此保护涡轮，同时帮助提高空气循环涡轮发动机的膨胀涡轮的性能。
48.有利地并且根据本发明，用于从飞行器的发动机排出压缩空气的所述设备是用于从飞行器的推进发动机排出空气的设备，或者是用于从飞行器的辅助发动机排出空气的设备。
49.如上所述，根据另一替选方案，视需要，不排除通过通气口直接向空气循环涡轮发动机的压缩机供应从交通工具外部直接吸入的环境空气和/或提供被布置在吸入通气口和空气循环涡轮发动机的压缩机之间的中间压缩机。
50.本发明也涉及一种包括舱室的空中或轨道运输交通工具并涉及一种用于这种舱室的空调系统，其特征在于，所述用于舱室的空调系统是根据本发明的系统。
51.根据本发明的空调系统的优点经适当的修改适用于根据本发明的空中或轨道运输交通工具。
52.本发明也涉及一种空调系统和一种车辆，其特征在于上文或下文提及的所有或一些特征的组合。
附图说明
53.通过阅读仅作为非限制性示例提供并参考附图的下列说明，本发明的进一步目标、特征和优点将变得显而易见，其中：
54.图1是根据本发明的实施例的空调系统的示意图；
55.图2是根据本发明的另一实施例的空调系统的示意图；
56.图3是根据本发明的实施例的用于冷却空调系统的主交换器的示意性透视图；
57.图4是图3的主冷却交换器的细节的示意图；以及
58.图5是根据本发明的实施例的飞行器的示意性透视图。
具体实施方式
59.为了说明和清楚起见，附图中没有严格遵守比率和比例。此外，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同、相似或类似的元件。
60.图1示意性地示出用于飞行器8的舱室10的空调系统9，其包括具有通过机械轴19彼此机械联接的压缩机13和膨胀涡轮14的空气循环涡轮发动机12。该机械轴19也驱动形成耗能轮的风扇18，下文描述其作用。
61.压缩机13包括空气进口13a，空气进口13a通过初级冷却交换器(贯穿下文，也称为phx(用于初级热交换器)交换器15)和管道20连接到用于从空气源(为了清楚起见未在附图中示出)排出空气的设备，管道20将空气排出设备和phx交换器15流体连接。
62.换句话说，来自空气排出设备的空气在穿过初级phx交换器15之后供应空气循环涡轮发动机12的压缩机13，空气排出设备例如是一种从飞行器的推进发动机的压缩机排出空气的设备，或者是一种从飞行器的辅助发动机的压缩机排出空气的设备，或者是一种从飞行器的通气口吸入空气的设备，无论是否与中间压缩机相关联。该phx交换器15包括：热通路，其通过经由管道20从空气排出设备馈送的空气形成；和冷通路，其被供以处于冲压压力的空气，冲压空气在用于使冲压空气循环的通道22(下文称为冲压空气通道)中循环。
63.由安装在空气循环涡轮发动机的轴18上的风扇18提供冲压空气通道22内的冲压空气循环，该轴延伸到冲压空气通道22中。根据其他替选方案，风扇18可以与轴19分离并由独立的电动马达旋转。
64.压缩机13还包括空气出口13b，空气出口13b流体连接至主冷却交换器，贯穿下文也称为首字母缩写词mhx(主热交换器)16，其被布置在用于从飞行器外部吸入的冲压空气循环的通道22内。
65.该mhx交换器16包括：热初级环路，其被供以来自压缩机13的空气流；和冷次级环路，其与初级环路热相互作用，被供以在冲压空气通道22中循环的冲压空气。换句话说，在mhx交换器16中，来自压缩机13的空气被在冲压空气循环通道22中循环的冲压空气冷却。
66.空气循环涡轮发动机12的膨胀涡轮14包括空气进口14a和空气出口14b，空气进口14a被供以来自mhx交换器16的空气，该空气已经穿过将在下面描述的水提取回路30，空气出口14b连接到所述舱室10，以便能够以受控的压力和温度向所述舱室供应空气。
67.根据附图的实施例，水提取回路30包括加热器31，加热器包括被供以来自主mhx交换器16的空气的初级空气环路，初级空气环路与次级环路热相互作用，次级环路被供以来自水提取器33的空气，并且旨在供应膨胀涡轮的进口14a。
68.水提取回路30还包括冷凝器31，冷凝器包括被供以加热器31的出口处的空气流的初级空气环路，初级空气环路与被供以来自膨胀涡轮14的空气流的次级空气环路热相互作用，以允许冷凝初级环路的空气流。
69.最后，水提取回路还包括水提取器33，水提取器被布置在冷凝器32的出口处并且
被设计成能够回收由冷凝器冷凝的水，并且将所述水馈送到水分配管道26(在图1和图2中以虚线示意性示出)。
70.该水分配管道26贯穿本文也称为喷洒管道，在水提取器33和冲压空气通道22之间延伸，位于主mhx交换器16的上游，以便能够将水提取器33回收的水喷洒到冲压空气通道22的冲压空气流中。
71.图2示出了本发明的另一实施例。与图1的实施例的主要差异涉及空气循环涡轮发动机12。在图2中，涡轮发动机12在轴19上仅安装有膨胀涡轮14和风扇18。换句话说，根据该实施例，涡轮发动机12不包括安装在机械轴19上的压缩机。另外并根据该实施例，来自空气排出设备(图中未示出)的空气经由管道20(因此，管道不再像图1的实施例一样将空气排出设备连接至phx交换器15，而是将所述设备直接连接至主mhx交换器16)直接供应主mhx交换器16。因此，该实施例也不具有初级phx交换器15。因此，根据该实施例，供应主mhx交换器16的空气是已经被压缩的空气。该空气例如是从飞行器的推进发动机排出的空气，或者是被上游压缩机处理的空气。
72.无论考虑何种实施例(带压缩机或不带压缩机的涡轮发动机)，根据本发明的空调系统还包括用于加热在喷洒管道26中流动的喷洒水的装置40。例如并如图1中所示，由热交换器(称为喷洒交换器)形成用于加热喷洒水的这些装置40，喷洒交换器包括被供以来自喷洒管道26的水的冷环路和被供以热流体源的横向热环路26b。该热环路26b可以是任何类型的。例如，热环路可以是供应飞行器的推进发动机的燃料环路的旁路，或是用于润滑飞行器的发动机部件的油环路的旁路，或飞行器的空调系统的空气环路的旁路。用于热流体和冷液体流体的任何类型的热交换器可用于形成用于加热喷洒水的装置40。
73.通常，该热环路可以根据空调系统的设计和热环路转向以形成喷洒交换器的热通路的难易程度来选择。
74.因此，在喷洒管道26上存在这样的喷洒交换器允许在喷洒管道26中循环的水被加热，因此，冲压空气通道22的蒸发效率被优化。这特别有助于使得可能降低在冲压空气通道22中循环的环境空气的温度，因此改善来自压缩机13的空气的冷却，该空气形成mhx交换器16的热通路。被加热装置40加热的水在冲压空气通道22中更快速和完全地蒸发。
75.根据特定实施例并如图3和图4中所示，加热装置40被集成到mhx交换器16中。
76.为此，mhx交换器16包括多个平行的板51，这些平行的板彼此叠置地放置并且在之间交替地限定初级通道60和次级通道80，即，每个初级通道60都嵌套在两个次级通道80之间。优选地，从交换器的底部开始的第一通道是次级通道80，在次级通道80的顶部放置横向初级通道60，在横向初级通道60的顶部放置第二次级通道80，在第二次级通道80的顶部放置第二横向初级通道，等等，直到最后一个通道，最后一个通道优选地也是次级通道。当然，通道的堆叠顺可以不同而不改变本发明的原则。
77.根据图3和图4的实施例，每个初级通道60都具有大致u形状，并且在初级空气进口61和初级空气出口62之间延伸。u形的每个腿都沿初级方向p延伸，如图3和图4中通过轴系(p,s,v)所示，其中，p代表初级方向，s代表次级方向，v代表重力限定的竖直方向。
78.每个次级通道80都沿次级方向s在次级空气进口81和次级空气出口82之间延伸。
79.换句话说，初级通道60和次级通道80通常彼此垂直并成对地嵌套，以便在次级通道与初级通道的支腿的每个界面处形成热交换区域。
80.每个初级通道60进一步由封闭杆63(也称初级封闭杆)界定，封闭杆63将平行板51互连并沿初级方向p在初级通道60的每一侧上延伸。
81.每个次级通道80也由封闭杆83(也称次级封闭杆)界定，封闭杆83将平行板互连并沿次级方向s在次级通道80的每一侧上延伸。
82.初级封闭杆63在初级水进口63a和水喷洒开口63b之间延伸。另外，每个主封闭杆63包括沿初级方向p延伸的内部通道，通往水进口63a并且流体连接由喷洒开口63b形成的微穿孔。因而，供应封闭杆63的进口63a的水通过喷洒开口63b喷洒到馈送次级通道80的空气流中。
83.次级封闭杆83在次级水进口83a和次级水出口83b之间延伸。封闭杆83被布置在初级空气出口62附近，使得供应每个封闭杆的进口83a的水被在初级通道60中循环的空气加热。
84.根据附图的实施例的交换器进一步包括水收集器90，所有次级封闭杆83的出口83b都通向水收集器90。
85.根据附图的实施例的交换器还包括水分配器95，水分配器95通过软管(为了清楚起见未在附图中示出)流体连接到水收集器90，水分配器95通向初级封闭杆63的水进口63a。
86.因而，由收集器90收集并由次级封闭杆83和初级通道60之间的热交换加热的所有水都被分配在初级封闭杆63中，使得该被加热的水可以喷洒到供应交换器的次级空气流中。
87.根据该实施例的交换器还包括通向初级通道60的初级空气进口61的公共初级空气进口66，和初级通道60的初级空气出口62通往其中的用于初级空气的公共空气出口67。
88.因此，交换器16的一般操作原理如下。来自飞行器的空气排出设备的热空气供应交换器的进口66。然后，将该热空气分配到初级通道60。在每个u形通道60内，热空气在u形的支腿中沿初级方向p循环，在连接u形的两个平行支腿的圆形连接件处转向，然后在初级方向p上沿相反方向循环，以便通往供应公共初级空气出口67的空气出口62。
89.另外，来自飞行器外部的抽取空气的冷空气供应初级通道80的空气进口81。该空气在沿次级方向s延伸的次级通道80中循环，以便通过出口82流出。
90.由于初级通道60与次级通道80嵌套在一起，所以在热空气流和冷空气流之间发生热交换，使得离开公共出口67的空气流与进口空气相比被冷却。
91.同时，水被注入次级封闭杆的进口83a。这些水来自如图1和图2中示意性所示的空调系统的水提取回路。
92.这些水被次级封闭杆和初级空气流之间的热交换加热。该被加热的水被连接到水分配器95的水收集器90收集。因此，该被加热的水被喷洒到供应次级通道80的冷空气流中。
93.因此，水温度的这种升高使得可能加速蒸发时间并因此限制水喷洒和交换器进口之间所需的路径。
94.因此，根据该实施例的空调系统特别有效，因为它允许更好地冷却空气，同时极大地限制系统的尺寸。